自然对流换热实验设备优化改造及教学改革

来源：职称论文发表咨询网作者：赵编辑时间：2019-06-13 10:12

　　摘要：对自然对流换热设备进行了优化改造，保留了不影响实验过程的本体部分，优化设计了独立的电加热测量系统和温度测量数显系统，解决了现有实验耗时长、数据采集量小、实验工况不稳定、设备故障等问题。优化改造后的设备提供了更加成熟且灵活的实验条件，使教学方式从传统的验证性实验改革为设计性实验，并在日常的教学实践中体现出诸多优势，具有一定推广价值。

　　关键词：自然对流换热;实验装置;设备优化改造;教学方式

自然对流换热实验设备优化改造及教学改革

　　大空间内水平圆管外表面的自然对流换热是日常生活与工业生产中普遍存在的现象，国内外学者[1-2]针对这一问题进行了大量的实验研究和数值模拟研究。水平圆管外自然对流换热实验，是传热学大纲要求的实验项目，也是我校特色专业建筑环境与能源应用工程的必做专业基础实验，该项实验对于培养学生的实践应用能力至关重要。然而，现有的实验设备使用年限太久，仪器设备老化，使用功能不全，测量误差大，实验进程长，控制系统易受干扰，实验工况不稳定，实验教学效果不佳，已经难以适用当前实验教学的改革和发展[3]。考虑到目前学校实验经费紧张的状况，更换全新前沿的实验设备成本过高[4]，本文在总结了原实验设备的优缺点后，结合理论与实验教学的要求，对原实验设备进行了优化改造，并改革了实验教学方式。

　　实验原理

　　根据相似理论，空气沿水平管外表面自然对流时，一般可以得到以下指数形式的准则关系式：

　　Nu =c(Gr，Pr)n

　　Nu =hD λ (2)

　　Gr =gΔtal3 ν2

　　式中：Nu 为努塞尔数;Gr 为格拉晓夫数;Pr为普朗特准则数，是温度的函数;c和n 均为常数;λ为空气导热系数;h为传热系数;ν为运动黏度;#为空气的容积膨胀系数，取理想气体的膨胀系数，#=1/(Tm +273);g是重力加速度;D 是管子外径;Δt 是远离管壁的空气温度差，Δt=tw-tf，tf为空气温度，tw 为管外壁温。

　　本项实验的目的就是通过实验测试确定常数c和n。在准则式中，空气的导热系数$，运动黏度ν，以及普朗特准则数 Pr 可以根据实验管壁面温度tw和环境空气温度tf的平均值tm查阅手册内插得到。

　　本实验的关键是对流换热表面传热系数h 的确定。对流换热表面传热系数h的定义：h=Qa/(FΔt)，Qa 为水平管外表面与周围空气之间的对流换热量，F水平管的外表面积，F=%DL，L 为水平管的有效长度。在气体中的对流换热，不可避免地会伴随有换热壁面与周围环境的辐射换热，因此，管的实际传出热量Q 为对流换热和辐射换热量之和：

　　Q =Qa +Qr =hF(tw -tf)+

　　&C0F(T4w -T4f)×10-8 (4)式中，Qr 为辐射热量，&为实验管外表面的黑度，C0 为黑体辐射系数，C0=5.67 W/m2·K4。这里假定了环境温度即空气温度。水平管外表面对流换热表面传热系数就可以由下式确定：

　　h= [Q/F- &C0(T4w -T4f)×10-8]/(tw -tf)(5)

　　要确定式(1)中的c和n，还需要测量的 Nu-GrPr数据足够多，GrPr 变化范围足够大。这就要求测量出不同范围内足够度的数据，进而才能更好地利用相似原理[5]处理数据，得到准则关联式。

　　2 设备优化改造

　　2.1 设备改造背景

　　现有的水平圆管外自然对流换热实验设备，该设备是由单一的电路控制箱进行统一调节，每次实验只能对一个水平管进行电压控制，无法实现多个水平圆管的同时测试。另外，由于实验学时有限，学生无法在有限的时间内测得足够多的实验数据，而拟合准则关联式时需要多个相似现象下的实验参数，数据要足够多，拟合才越准确;而且，当被加热的水平管的热量到达控制箱设定的温度时，加热一般会停止，实验工况无法达到恒定，水平管温度也不稳定，不利于实验稳定工况下的数据采集。

　　此外，现有设备直接显示读数，学生在实验过程中只是机械地进行观察记录，无法对实验原理得到深刻的理解和掌握。实验也多为验证性实验，不利于学生综合实践能力和创新能力的培养[6]。

　　2.2 设备改造的目标

　　基于上述原有实验中的不足和缺陷，对原有的实验设备进行了优化改造，保留原设备中不影响实验效果的部分，按照科学合理、安全实用、经济节约、综合性强、手动操作与自动控制并存的设计思想和原则[3]对原有设备进行优化改造，使实验条件提升、实验工况稳定，并将原来的验证性实验改革为设计性实验，激发学生参与实验的积极性，并建立有效的激励机制，调动学生的自主性和积极性[7]。

　　2.3 优化改造后设备简介

　　优化改造后的设备主要由以下部分组成：

　　(1)实验本体系统。本体为水平圆管一套，放置在封闭的大空间玻璃房内，水平圆管对应管径分别为80、60、40、20mm，实验管段构造如图1所示;实验管内装有电加热器，两端有绝热盖，计算中可略去轴向热损失。实验管上有热电偶嵌入管壁，使用电位差计测量管壁热电势，从而计算管壁外表面温度。

　　(2)独立的电加热测量系统。为获得稳定的加热功率，各实验管采用直流稳压电源加热，一套设备中4种不同直径的实验管段各自分别连接相互独立的电加热测量系统。为了保持加热稳定，每个独立的电加热系统各自配备调压器稳定输入电压，并各自配备独立的功率表。实验时，一套设备可在4个不同的加热功率下同时开展，并且互不干扰，工况稳定，保证了后续测量的准确性。独立控制参数，避免了仪器误差，实现了精准控制[8]。

　　(3)温度测量及其数显系统。温度的测量包括实验管周围空气温度和实验管壁面温度。空气温度测点位于离实验管 1 m 左右下方，使用半导体温度计测量，温度直接显示在测量室的仪表上。

　　实验圆管上共设置多个温度传感器焊点，考虑到电加热管可能存在加热不均匀或偏心等情况，焊点分别在轴向等距分布，同时在圆周方向等角度分布，实验管壁面温度取自壁面不同部位温度的平均值，每个实验管根据长短不同，布置有不同数目的铜-康铜测温热电偶。测量表面温度的感温元件的引线均接入控制箱，通过数字式显示仪表直接显示出温度值。优化改造后的实验设备系统示意图见图2。

　　3 改革现有实验教学方式

　　教学方式从传统的验证性实验改革为设计性实验，学生根据实验原理以及改造后的实验条件，独立设计自己的实验方案以及实验操作步骤;进入实验室后，在实验教师的讲解和指导下，熟悉实验中所用的设备，然后按照自己设计好的方案，进行独立实验。

　　优化改造后的实验设备，每套可以同时实现 4个不同的加热功率下的实验工况，每个加热功率下持续加热 6h(实验开始前有实验教师提前加热)。因此，在每一次实验测试工况下，学生可以分成小组，在多套设备下同时独立进行实验测试，手动测量与数显测量两种方式并存[9]。实验现象相似，各组学生通过设定不同的加热量即可得到多个稳定的实验工况，可以采集到更多的实验数据，利于实验数据的处理以及实验结果的获得。优化改造后，学生在2学时内就可以完成实验要求的所有内容，相比传统的教学方式，既按规定完成了实验测试，又提高了实验教学的效果。

　　4 优化改造后设备在实验教学实践中的优势

　　(1)设备改造后，在大纲要求的时间内，通过学生的多组测试，数据采集量大，为使用相似原理处理数据提供了准确而足够的数量来源，保证了实验测试的稳定性，利于准则关联式的拟合。

　　(2)学生在改造后的实验设备条件下，可将验证性实验性质改为设计性实验，更加有利于培养学生实践动手能力和创新能力。设计性实验能有效提高学生的参与度，充分发挥了为生的主体性和积极性，更加有利于实验教学的改革与发展[10]，

　　(3)设备优化改造后，加入手动调节操作，增强学生的参与感，加深理解记忆，并实现了控制方式的多样化。这种从实验方案设计到实际动手操作，全程体验式的教学方式[11]更容易被学生记住，提升了实验教学的效果，有利于创新人才的培养。

　　(4)优化改造的实验设备中，将所使用的仪表设计为可安装拆卸式，当前实验使用完之后，仪表也可以用于其他实验项目，实现了实验教学资源灵活配置，提高了设备利用率[12]。

　　(5)优化改造充分发挥了仪器设备的潜能，使设备在一定程度上增加了使用价值[4]，延长其使用年限。

　　5 结语

　　实验技术人员对实验教学设备进行优化改造，既有效解决了现有实验教学条件的种种问题，避免了设备整体更替的高成本，又实现了教学方式从传统验证性实验向综合设计型实验的转变。设备优化改造后体现出了多方面的优势，学生兴趣浓厚，取得了良好的教学效果。

　　参考文献(References)

　　[1] 李远涛.横管表面自然对流传热特性的实验分析和数值模拟[J].长春工程学院学报(自然科学版)，2010，11(1)：64-67.

　　[2] 李庆领，杨广志，李涛.水平圆管在大空间内自然对流换热的实验与数值分析[J].兰州理工大学学报，2013，39(2)：43-46.

　　[3] 马菊莲.离心泵性能实验设备综合改造及实践[J].实验技术与管理，2016，33(10)：90-92.